(57)【要約】【課題】  ガスタービンエンジンの燃焼器用の燃料ノズルにおけるスワラ構造を改善する。【解決手段】  スワラベーンパックは、ベーン列とこれらのベーンを保持する保持手段とを有する。各々のベーンは、翼幅を間に有する第１の端部（１２０）および第２の端部（１１４）と、翼幅方向に変化する断面と、を有しうる。隣接するベーンの間の離間距離は翼幅方向で実質的に一定とすることができる。翼幅方向に変化する断面は、翼幅方向に変化する翼弦（Ｓ1ROOT，Ｓ1TIP）を含んでもよい。第２の端部（１１４）は、第１の端部（１２０）の２５％〜７５％の翼弦を有しうる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベーン列と、これらのベーンを保持する保持手段と、を有するスワラベーンパックであって、
各々のベーンは、
翼幅を間に有する第１の端部および第２の端部と、
翼幅方向に変化する断面と、を備えることを特徴とするスワラベーンパック。
【請求項２】
前記ベーン列における隣接するベーンの間の離間距離は、翼幅方向で実質的に一定であることを特徴とする請求項１記載のスワラベーンパック。
【請求項３】
前記翼幅方向に変化する断面は、翼幅方向に変化する翼弦を含むことを特徴とする請求項１記載のスワラベーンパック。
【請求項４】
第２の端部は、第１の端部の２５〜７５％の翼弦を有することを特徴とする請求項１記載のスワラベーンパック。
【請求項５】
前記翼幅方向に変化する断面は、翼幅方向に徐々に変化する翼弦を含むことを特徴とする請求項１記載のスワラベーンパック。
【請求項６】
前記ベーンは、前記保持手段と一体に形成されており、
前記ベーンの第１の端部は前記保持手段に近接しているとともに、前記ベーンの第２の端部は前記保持手段から離れており、
前記翼幅方向に変化する断面は、前記保持手段から離れるにつれて翼幅方向に徐々に減少する翼弦を含むことを特徴とする請求項１記載のスワラベーンパック。
【請求項７】
前記翼幅方向に変化する断面は、翼弦にわたって実質的に対称であることを特徴とする請求項１記載のスワラベーンパック。
【請求項８】
前記翼幅方向に変化する断面は、前記ベーンの翼弦方向長さの主要部に沿って第１および第２の平坦なファセットを含むことを特徴とする請求項１記載のスワラベーンパック。
【請求項９】
各々のベーンは、ねじれていないことを特徴とする請求項１記載のスワラベーンパック。
【請求項１０】
請求項１記載のベーンパックの設計方法であって、
前記ベーンパックに関連する通路にわたる旋回角の変更目標を決定し、
目標動作条件において、旋回角の変更目標を達成するのに効果的な翼幅方向の断面変化の配分を決定することを含むことを特徴とするベーンパックの設計方法。
【請求項１１】
前記ベーンパックを含むスワラのリーンブローアウト特性を測定することをさらに含むことを特徴とする請求項１０記載のベーンパックの設計方法。
【請求項１２】
燃料噴射器と、
前記燃料噴射器と同軸で、かつ入口から軸方向出口にわたって、第１の通路の第１の面を構成する外側面を有するベアリングと、
前記燃料噴射器と同軸で、かつ入口から軸方向出口にわたって、第１の通路の第２の面を構成する内側面と第２の通路の第１の面を構成する外側面とを有するプレフィルマと、
各々のベーンが、第１の通路の第１の面に近接する第１の端部から、第１の通路の第２の面に近接する第２の端部まで延在するとともに、第１の端部から第２の端部まで翼幅方向で翼弦が少なくとも２５％減少することを特徴とする断面を有する、第１の通路における第１のベーン列と、
第２の通路における第２のベーン列と、を有することを特徴とするスワラアセンブリ。
【請求項１３】
翼幅方向における翼弦の減少により、目標動作条件において、ピーク値が出口半径の０％〜２５％に位置するとともに、出口半径の９５％〜１００％の位置における旋回角が１５°〜２５°である旋回角を特徴とする放出プロファイルが提供されることを特徴とする請求項１２記載のスワラアセンブリ。
【請求項１４】
翼幅方向における翼弦の減少により、目標動作条件において、ピーク値が出口半径の１５％〜２５％に位置するとともに、出口半径の９５％〜１００％の位置における旋回角が１８°〜２１°である旋回角を特徴とする放出プロファイルが提供されることを特徴とする請求項１２記載のスワラアセンブリ。
【請求項１５】
ピーク値は、８５°を超えることを特徴とする請求項１４記載のスワラアセンブリ。
【請求項１６】
第１の通路の入口と第２の通路の入口とは、周方向の入口であることを特徴とする請求項１２記載のスワラアセンブリ。
【請求項１７】
ガスタービンエンジンの燃焼器用の高剪断設計の燃料噴射器であって、前記燃焼器の入口に支持された燃料ノズルと、前記燃料ノズルに取り付けられるとともに、前記燃焼器に空気を導くための第１の通路を含み、かつ前記燃料ノズルと同軸に配置された第１の径方向入口スワラと、第１の径方向入口スワラに隣接して取り付けられるとともに、前記燃焼器に追加の空気を導くための第２の通路を含み、かつ第１の通路と同軸に配置された第２の径方向入口スワラと、を含み、第１の径方向入口スワラは、周方向に配置されたベーンを備え、各々のベーンは、第１の端部と第２の端部との間の翼幅と、翼幅方向で変化する断面と、を有しており、断面の翼幅方向の変化によって、第１の端部から第２の端部まで旋回角が変化し、断面の変化がない場合よりも高いレベルまで旋回がオフセットされてランキン渦が生じることを特徴とする高剪断設計の燃料噴射器。
【請求項１８】
第１の通路および第２の通路における空気の大部分は、第１の通路に含まれることを特徴とする請求項１７記載の高剪断設計の燃料噴射器。
【請求項１９】
第１の通路内の空気の量は、第１の通路および第２の通路における空気流全体の５０％〜９５％に実質的に等しいことを特徴とする請求項１７記載の高剪断設計の燃料噴射器。
【請求項２０】
第２の通路の放出口における空気のバルク旋回角は、実質的に６０°〜７５°であることを特徴とする請求項１７記載の高剪断設計の燃料噴射器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主にガスタービンエンジンの燃焼器用の燃料ノズルに関し、特にスワラのベーン構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジン技術でよく知られているように、高効率、良好なリーンブロウアウト特性、良好な高度再着火特性、排煙や他の汚染物質の低い放出量、長寿命、および低コストの組合せで燃焼器を運転することが望ましい。燃焼器の効率を最大にするために、科学者や技術者は燃料ノズルの設計を長年研究している。
【０００３】
特許文献１には、内側ダクトのベーンが翼幅方向にねじれているスワラが開示されており、この翼幅方向のねじれによって内側ダクトの出口で所望の旋回角が与えられている。
【特許文献１】米国特許第５９６６９３７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この例示的な配置により、ダクトの内側／前壁の近傍よりも外側／後壁の近傍において、ベーンの翼弦が径方向により近接して配置される（例示的な実施例では、後部／後方向は下流方向であり、エンジンの後部方向とすることができる）。
【０００５】
それでもなお、スワラ構造の改善が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一形態は、ベーン列とこれらのベーンを保持する保持手段とを有するスワラベーンパックを含む。各々のベーンは、翼幅を間に有する第１の端部および第２の端部と、翼幅方向に変化する断面と、を有しうる。
【０００７】
種々の実施例では、隣接するベーンの間の離間距離は翼幅方向で実質的に一定とすることができる。翼幅方向に変化する断面は、翼幅方向に変化する翼弦を含んでもよい。第２の端部は、第１の端部の２５％〜７５％の翼弦を有しうる。翼幅方向に変化する断面は、翼幅方向に徐々に変化する翼弦を含んでもよい。ベーンは、保持手段と一体に形成可能である。ベーンの第１の端部が保持手段に近接し、ベーンの第２の端部が保持手段から離れるように設けることができる。翼幅方向に変化する断面は、保持手段から離れるにつれて翼幅方向に徐々に減少する翼弦を含んでもよい。翼幅方向に変化する断面は、（例えば、エアフォイルの揚力を発生させないように）翼弦にわたって実質的に対称であってもよい。翼幅方向に変化する断面は、ベーンの翼弦方向長さの主要部に沿って第１および第２の平坦なファセット（ｆａｃｅｔ）を含むことを特徴とすることができる。各々のベーンは、ねじれていなくてもよい。
【０００８】
本発明の他の形態は、ベーンパックの設計方法を含む。ベーンパックに関連する通路にわたる旋回角の変更目標が決定される。目標動作条件において、旋回角の変更目標を達成するのに効果的な翼幅方向の断面変化の配分が決定される。ベーンパックを含むスワラのリーンブローアウト特性を測定することもできる。
【０００９】
本発明の他の形態は、燃料噴射器を有するスワラアセンブリを含む。ベアリングが、燃料噴射器と同軸に設けられているとともに、入口から軸方向出口にわたって、第１の通路の第１の面を構成する外側面を備える。プレフィルマが、燃料噴射器と同軸に設けられているとともに、入口から軸方向出口にわたって、第１の通路の第２の面を構成する内側面と、第２の通路の第１の面を構成する外側面と、を有する。第１の通路には第１のベーン列が設けられており、各々のベーンは第１の通路の第１の面に近接する第１の端部から、第１の通路の第２の面に近接する第２の端部まで延在するとともに、第１の端部から第２の端部にわたって翼弦が翼幅方向に少なくとも２５％減少することを特徴とする断面を有する。第２の通路には、第２のベーン列が設けられる。
【００１０】
種々の実施例では、第１および第２の通路の入口は、周方向の入口とすることができる。翼幅方向における翼弦の減少により、目標動作条件において、ピーク値が出口半径の０％〜２５％に位置するとともに、出口半径の９５％〜１００％の位置における旋回角が１５°〜２５°である旋回角を特徴とする放出プロファイルを提供することができる。また、翼幅方向における翼弦の減少により、目標動作条件において、ピーク値が出口半径の１５％〜２５％に位置するとともに、出口半径の９５％〜１００％の位置における旋回角が１８°〜２１°である旋回角を特徴とする放出プロファイルを提供することができる。ピーク値は、８５°を超えてもよい。
【００１１】
本発明の他の形態は、ガスタービンエンジンの燃焼器用の高剪断設計の燃料噴射器を含む。燃料ノズルが、燃焼器の入口に支持される。第１の径方向入口スワラが、燃料ノズルに取り付けられるとともに、燃焼器内に空気を導くための第１の通路を含み、かつ燃料ノズルと同軸に配置されている。第２の径方向入口スワラが、第１の径方向入口スワラに隣接して取り付けられるとともに、燃焼器に追加の空気を導く第２の通路を含み、かつ第１の通路と同軸に配置されている。第１の径方向入口スワラは、周方向に配置されたベーンを有する。各々のベーンは、第１の端部と第２の端部との間に翼幅を有するとともに、断面が翼幅方向に変化している。この翼幅方向の断面変化によって、第１の端部から第２の端部まで旋回角が変化し、断面変化がない場合よりも高いレベルまで旋回がオフセットされてランキン渦が生じる。
【００１２】
種々の実施例では、第１の通路および第２の通路における空気の大部分が第１の通路に含まれうる。第１の通路内の空気の量は、第１の通路および第２の通路における空気流全体の５０％〜９５％に実質的に等しくてもよい。第２の通路の放出口におけるバルク旋回角（ｂｕｌｋ  ｓｗｉｒｌ  ａｎｇｌｅ）は、実質的に６０°〜７５°であってもよい。
【００１３】
本発明の１つまたは複数の実施例の詳細は、添付図面および以下の説明に開示されている。本発明の他の特徴、目的、および利点は、明細書、図面、および請求項により明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、スワラアセンブリ２０と燃料噴射ノズル２２との組合せを示している。ノズル２２は、スワラ２０の内側ダクトすなわち通路２８に向かって燃料の噴霧２６を噴射する遠位端部出口２４を備える。スワラ２０と噴射ノズル２２とは共通の長手方向中心軸５００を有する。スワラ２０の前端部は、噴射ノズル２２を密に収容する円筒形の内側面３２を有するベアリング３０によって構成されており、ノズル２２とスワラ２０とは長手方向で相対運動可能となっている。例示的なベアリング３０は、実質的な後方面３４，３６，３８と前方面４０，４２を有する。これらの後方面および前方面は、周方向のリム周囲面４４と円筒形の内側面３２との間に延在する。例示的な実施例では、後方面は、リム周囲面４４から内向きでかつ径方向に延在する外側部分３４と、ここからほぼ長手方向まで遷移する湾曲部３６と、円筒形の内側面３２まで延びる径方向内側リム部３８と、を含む。前方面は、径方向に延在する外側部分４０と、円筒形の内側面３２まで延在する後方／内向きに先細となった部分４２と、を含む。プレフィルマ５０が、ベアリングの後方に離間して配置されており、実質的な後方面５２，５４，５６と前方面５８，６０を有する。後方面は、リム周囲面６２から内向きでかつ径方向に延在する外側部分５２と、長手方向に凹状に湾曲して後方に先細となった遷移部５４と、湾曲した部分の端部において径方向内側に延在する後方のリム部５６と、を含む。前方面は、リム６２から内向きでかつ径方向に延在する段付きの外側部分５８と、ここからリム５６まで長手方向でかつ凸状に湾曲して後方に先細となるように延在する遷移部６０と、を含む。ベアリングの後方面３４，３６，３８とプレフィルマの前方面５８，６０とは、実質的に協働して、内側通路２８と、入口６４から径方向内向きに延びるとともにリム面５６における出口６６まで後方に湾曲する内側流路５０６と、を画成する。入口６４から流入する空気７０は、内側通路２８の下流の中央部分で燃料２６と混合され、出口６６から混合気として放出される。
【００１５】
プレフィルマの後方面と、外側壁８０の前方面７４，７６および末広がりのリム面７８と、の間には外側通路７２が形成される。外側壁８０は、後方面８２，８４を有する。外側壁の後方面および前方面は、周方向外側リム８６から内向きに延在するとともに、後方リム７８で接続される凹部８４および凸部７６へと長手方向にそれぞれ遷移する径方向部分８２，７４を有する。第２の通路は、プレフィルマおよび外側壁の外側リム６２，８６の間の入口９０から外側壁の後方面８４とリム面７８との接合部における出口９２までの流路５０４を画成する。例示的な実施例では、内側通路出口は、第２の通路出口の後方に僅かに引っ込んでおり、ここから２つの通路の合流が始まる。
【００１６】
第１の通路と第２の通路との入口部分は、第１および第２の周方向のベーン列１００，１０２をそれぞれ支持して、入口部分を通る空気に旋回を与える。一般的な動作は、特許文献１に開示されている通りとすることができる。特許文献１は、その他の点では一定の断面を有するベーンを適切にねじることで所望の旋回プロファイルを得ることを開示しているが、例示的な実施例では、このようなねじりを与えずにブレード断面を変更することによってこれを達成する。例示的な実施例では、ベアリングは、主要片と、ベーン１００を含むベーンパックとを含む。ベーンパックの基部１０４は、主要片のさねはぎ溝に支持され、周囲面４４および面３４の一部をそれぞれ構成する露出した周辺部および後方面を有する。
【００１７】
図２は、各々のベーン１００が、前縁１１０と後縁１１２との間でプラットフォーム１０４における近位端部から遠位端部１１４まで延在しているのを示している。例示的なベーンは、第１の側面１１６と第２の側面１１８とを有し、これらの側面は、径方向内向きに角度θ1で収束する主要な平坦部を有する。例示的なθ1は０．５°〜５°とすることができ、より狭くは０．５°〜２°とすることができる。例示的な実施例では、１つのベーンの第１の面１１６は、次のベーンの隣接する第２の面１１８にほぼ平行である。これらの面は長さの大部分にわたって直線状なので、これらの面の間の空間１１９の大部分の幅はほぼ一定となる。図２は、さらに、１つの空間１１９の実質的に中間を通って延びる線（または長手方向平面）５０２を示している。径方向の線（長手方向に延びる径方向平面）５０４が、空間１１９の中央５０６で線／平面５０２と角度θ2で交差する。ゼロでないθ2は、旋回を与えるのに効果的である。例示的なθ2は５°〜４５°とすることができ、より狭くは１５°〜３０°とすることができる。
【００１８】
図４は、近位端部１２０から遠位端部１１４に向かってベーンの翼弦長さが先細となっているのを示している。例示的な実施例では、近位端部１２０の近傍の翼弦長さはＳ1ROOT、遠位端部における翼弦長さはＳ1TIP、近位端部から遠位端部までの高さはＨとして示されている。図５は、ベーンの側面に沿った例示的なブレンディング部すなわち面取り部１２２を示している。このような面取り部が、前縁部分および後縁部分に沿って設けられている場合には、実際の翼弦長さに影響を与えうる。図４は、さらに、長手方向に延在する例示的な後縁１１２を示している。前縁１１０は、先細部を提供するために傾斜している。例示的な実施例では、前縁（またはその主要部）は、図４の断面において垂直から角度θ3で傾斜している。例示的な実施例では、Ｓ1TIPは、Ｓ1ROOTの２５％以上でかつ７５％以下である。例示的なθ3は、１０°〜４０°とすることができ、より狭くは１５°〜３０°とすることができる。図３は、隣接するベーンの一方のベーンにおける平坦な後縁１１２と第２の側面１１８との交差部から、他方のベーンの第１の面１１６と交差するように空間１１９を横切って延びる線（長手方向平面）５１０を示している。図３は、また、第１の面１１６の平坦部の始点から第１の面１１６に対して垂直に延びて、第１のベーンの第２の面１１８と（その遠位端部１１４において）交差する線５１２を示している。図３は、さらに、近位端部における同様の線５１４を示している。線／平面５１０と第２の線５１２，５１４との間の離間距離（長さ）は、ベーンの翼幅に沿って徐々に変化する。この離間距離は、Ｓ2として示されており、特定の長さは、Ｓ2TIP，Ｓ2ROOTとして示されている。図３は、さらに、線／平面５１０における空間１１９の幅Ｓ3を示している。
【００１９】
ベーンを先細にする効果は、減少する翼弦線長さに沿って与えられる旋回を減少させることである。このような先細部は、特許文献１と同じまたは同様の流れ特性を達成するために使用可能である。特許文献１の例示的な実施例では、ベーンの近位端部をプレフィルマ上に配置しているのに対し、本発明の例示的な実施例では、製造を容易にするためにベーンの近位端部をベアリング上またはその近傍に配置している。混同を避けるためにこの点に留意すべきである。また、特許文献１のベーンの後方（近位）端部が前方（遠位）端部よりも小さい角度であるのに対し、本発明の図示の実施例は、前方から後方に向かって同様に旋回を減少させるように、前方（近位）翼弦長さよりも小さい後方（遠位）翼弦長さを有している。これにより、第１のダクトの下流部分において、調整されたプロファイルが提供され、このプロファイルは、プレフィルマの近傍で（例えば、２５°より小さい）比較的低い旋回値を有するとともに、プレフィルマの径方向内側の（例えば、出口半径の少なくとも２０％の）比較的大きい径方向位置においてピーク旋回値を有する。例示的に得られる引き延ばされたランキン渦では、ピーク旋回角（９０°）が内側再循環領域における均質な回転（ｓｏｌｉｄ  ｂｏｄｙ  ｒｏｔａｔｉｏｎ）と外側の自由流れとの間の移行部を特徴づける。この移行部の半径の例示的な範囲は、出口半径（例えば、出口６６における面５６）の０〜２５％である。高い割合がより有利であるが、１５〜２５％または２０〜２５％のより狭い範囲も適切でありうる。プレフィルマにおける旋回角は、全ての境界層のすぐ外側において最も良く特徴づけられる。これは、典型的には出口半径の少なくとも９５％の半径に位置する。旋回角は、典型的に少なくとも１５°（例えば、１５〜２５°、より狭くは１８〜２１°）とすることができる。
【００２０】
空間１１９が局部的に十分な長さを有していない場合には、流れの局部的な回転角度はθ2より小さくてもよい。離間距離Ｓ3に対する長さＳ2の割合が約０．５よりも大きい例示的なベーン構造では、回転が実質的にθ2であることが観測された。この割合よりも小さい場合には、回転は不完全となってθ2の一部のみとなる。例示的な実施例では、ベーンの前方（近位）端部の近傍において実質的に完全な回転が望ましく、後方（遠位）端部の近傍において完全な回転よりも小さい回転が望ましい。例示的なＳ2ROOTは、０．５より大きくてもよく、例示的なＳ2TIPは、０．２５以下であってもよい。先端部で提供される例示的な回転量は、θ2の３５％〜６０％である。他のベーン構造では、モデリングや測定によって適切な関係を求めることができる。
【００２１】
本発明の１つまたは複数の実施例を説明したが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、種々の変更を行うことができる。例えば、本発明が既存のスワラの再設計に適用される場合には、既存のスワラおよび／または関連する製造技術によって関連する実施例の詳細が影響を受けうる。また、本発明は、現在周知またはこれから開発される他の改良と組み合わせることもできる。従って、他の実施例も請求項の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係るスワラの長手方向断面図である。
【図２】図１のスワラのスワラベーン列の端面図である。
【図３】図２のベーン列における２つのベーンの拡大説明図である。
【図４】図３のベーンの４−４線に沿った中間断面図である。
【図５】図３のベーンの５−５線に沿った前縁の説明図である。
【符号の説明】
【００２３】
１１２…後縁
１１４…遠位端部
１２０…近位端部
Ｈ…近位端部から遠位端部までの高さ
Ｓ1ROOT…近位端部における翼弦長さ
Ｓ1TIP…遠位端部における翼弦長さ
【図１】
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【図２】
2005300139.tif 000004
【図３】
2005300139.tif 000005
【図４】
2005300139.tif 000006
【図５】
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